于 鵬，楊云升

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 濟(jì)源 459000)

短波3G通信頻率優(yōu)化遺傳算法研究

于 鵬，楊云升

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 濟(jì)源 459000)

基于美軍標(biāo)MIL-STD-188-14lB的第三代短波通信系統(tǒng)進(jìn)一步提高了通聯(lián)效率，目前在世界各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，但短波3G獨(dú)特的建鏈協(xié)議也同時(shí)要求其能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行合理的用頻管理，通過(guò)分析短波3G協(xié)議特點(diǎn)和用頻特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的短波3G通信用頻優(yōu)化方法，對(duì)算法中的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述，并基于該算法進(jìn)行了具有一定駐留組的短波通信系統(tǒng)用頻優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真過(guò)程收斂，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性。

短波3G；遺傳算法；頻率管理；互調(diào)干擾

0 引言

短波通信中，干擾情況比較復(fù)雜，主要包括自然干擾、電臺(tái)互擾和有意干擾[1]，而其中電臺(tái)互擾會(huì)嚴(yán)重影響通信鏈路的建立，尤其在3G短波通信中，合理進(jìn)行短波通信用頻規(guī)劃是需要重點(diǎn)考慮和解決的問(wèn)題。系統(tǒng)頻率分配優(yōu)化問(wèn)題也日益得到重視，文獻(xiàn)[2-4]采用序列設(shè)計(jì)等方法討論了電臺(tái)以及移動(dòng)通信中的頻率設(shè)計(jì)問(wèn)題，文獻(xiàn)[5-6]采用遺傳算法進(jìn)行了頻率分配問(wèn)題的討論，本文結(jié)合短波3G通信系統(tǒng)用頻特點(diǎn)，利用遺傳算法進(jìn)行短波3G用頻優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 短波3G通信用頻特點(diǎn)

1.1 短波3G通信建鏈

在美軍第三代短波通信協(xié)議基礎(chǔ)上，短波通信系統(tǒng)在技術(shù)上逐漸實(shí)現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)、綜合”特征，在功能上滿足“綜合業(yè)務(wù)傳輸”目標(biāo)，尤其短波3G自動(dòng)建鏈技術(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提高了短波通信網(wǎng)建鏈效率[7-10]。

1.1.1 同步掃描建鏈技術(shù)

2G-ALE是一個(gè)異步系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有進(jìn)行頻率控制，收發(fā)雙方不知道對(duì)方的工作頻率，每部電臺(tái)需要不停地循環(huán)掃描所有信道，而呼叫臺(tái)站需要在固定信道進(jìn)行呼叫等待(最大等待時(shí)間為一個(gè)呼叫周期)，鏈路建立消耗了大量時(shí)間。3G-ALE采用了同步工作模式，所有的掃描站能接收來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)層的頻率控制命令，網(wǎng)絡(luò)中臺(tái)站在同一時(shí)間監(jiān)聽(tīng)同一個(gè)呼叫信道，呼叫臺(tái)站在當(dāng)前呼叫頻率上呼叫被呼臺(tái)站，極大地提高了呼叫效率[8]。

1.1.2 劃分駐留組

第三代短波自動(dòng)鏈路建立系統(tǒng)中引入駐留組的概念，這種技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)中的所有電臺(tái)劃分成多個(gè)組。同一時(shí)間、同一駐留組內(nèi)的電臺(tái)工作在同一信道上，而不同的組工作在不同的信道上，大大地縮短了呼叫時(shí)間，減少了呼叫碰撞概率[7]。

1.1.3 信道分離技術(shù)

第三代短波自動(dòng)鏈路建立系統(tǒng)將呼叫信道和數(shù)據(jù)流信道(業(yè)務(wù)信道)分離，并保持業(yè)務(wù)信道與呼叫信道相鄰，以使它們?cè)趥鬏斕匦陨舷嘟黐9]。信道分離的好處是不需要反復(fù)進(jìn)行信道質(zhì)量評(píng)估。系統(tǒng)正常工作時(shí)，呼叫信道保持相對(duì)空閑，而業(yè)務(wù)信道卻在進(jìn)行大規(guī)模的信息傳送，這樣就可以保證信息傳送的高效率和鏈路建立的快速性。當(dāng)然，信道分離同時(shí)也帶來(lái)了一定的系統(tǒng)開(kāi)銷，這主要表現(xiàn)在一方面要額外確定業(yè)務(wù)信道的傳輸特性，另一方面使用業(yè)務(wù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)仍然要進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。

1.2 短波3G頻率規(guī)劃

短波通信主要包含2種電波傳播形式：地波傳播和天波傳播。地波傳播主要受地表傳播環(huán)境影響，信道穩(wěn)定、傳播損耗較大、通信距離有限；天波傳播主要靠電離層反射，與地波相比，存在傳播損耗小、通信距離遠(yuǎn)和信道變化較大等特點(diǎn)。

在進(jìn)行短波3G頻率規(guī)劃時(shí)，要考慮電波傳播模式、最佳通信頻段以及網(wǎng)內(nèi)信道沖突等問(wèn)題。

1.2.1 工作頻段劃分

工作頻段劃分主要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

① 短波通信電波傳播模式

由于電離層的變化，短波天波傳播存在最低可用頻率與最高可用頻率，最佳工作頻段應(yīng)該在該范圍內(nèi)進(jìn)行選擇；短波地波傳播不存在最低和最高工作頻率問(wèn)題，傳播損耗與工作頻率、通信距離及天線高度等有關(guān)，應(yīng)綜合考慮確定工作頻段問(wèn)題。

② 不同工作組

3G短波系統(tǒng)將通信網(wǎng)劃分成多個(gè)駐留組，不同駐留組工作于不同的信道組，因而，設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮為不同駐留組分配不同的工作頻段，減少網(wǎng)內(nèi)信道碰撞。另外，在頻率資源有限的情況下，可以考慮為具有一定空間隔離度的地波傳播駐留組分配相近工作頻段。

1.2.2 可用信道確定

短波信道干擾復(fù)雜，因而在進(jìn)行短波用頻設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮當(dāng)?shù)囟滩ūO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)前可用信道。

1.2.3 信道優(yōu)化設(shè)計(jì)

信道優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面問(wèn)題：

① 短波3G呼叫信道和業(yè)務(wù)信道關(guān)系；

② 信道隔離度問(wèn)題；

③ 不同駐留組信道沖突問(wèn)題；

④ 信道之間的互擾自擾問(wèn)題。

本文采用遺傳算法重點(diǎn)解決短波3G用頻的信道優(yōu)化問(wèn)題。

2 利用遺傳算法進(jìn)行短波3G通信頻率優(yōu)化

2.1 遺傳算法

遺傳算法是建立在自然選擇和自然遺傳學(xué)機(jī)理基礎(chǔ)上的迭代自適應(yīng)概率性搜索算法。算法模擬自然選擇和自然遺傳過(guò)程中的繁殖、交換、變異過(guò)程，最終搜索到較優(yōu)個(gè)體。具有不需要求剃度、能得到全局最優(yōu)解、算法簡(jiǎn)單及可并行處理等特點(diǎn)[11]。

遺傳算法應(yīng)用的2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是進(jìn)行樣本參數(shù)編碼和樣本性能評(píng)價(jià)(即計(jì)算適配度)，主要步驟有參數(shù)編碼、種群初始化、計(jì)算樣本適配度、選擇、交叉及變異等[12-13]。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

利用遺傳算法進(jìn)行短波3G信道優(yōu)化需要確定的幾個(gè)主要步驟。

2.2.1 參數(shù)編碼

進(jìn)行參數(shù)編碼首先需要確定該通信系統(tǒng)具有幾個(gè)駐留組，由駐留組確定尋優(yōu)參數(shù)的個(gè)數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)頻段范圍，進(jìn)行參數(shù)編碼[10]。

樣本編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 短波3G通信系統(tǒng)遺傳算法頻率編碼結(jié)構(gòu)

樣本碼中每一參數(shù)碼的長(zhǎng)度通過(guò)對(duì)下式中mi求最小值得到：

(1)

式中,Ftop/Fbutton為駐留組頻率范圍；w為信道帶寬；m為該駐留組參數(shù)編碼長(zhǎng)度。

2.2.2 樣本適配度

短波3G信道優(yōu)化遺傳算法的一個(gè)樣本包含了一組頻率值，這組頻率結(jié)果是否滿足短波3G系統(tǒng)頻率非配最優(yōu)化的要求，需要合理設(shè)計(jì)算法的適配度函數(shù)。在短波3G頻率優(yōu)化遺傳算法中，計(jì)算適配度有2種方法：

① 絕對(duì)干擾強(qiáng)度計(jì)算方法。根據(jù)源信號(hào)實(shí)際強(qiáng)度，計(jì)算得到在不同頻率點(diǎn)產(chǎn)生的干擾信號(hào)強(qiáng)度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠計(jì)算得到干擾信號(hào)的實(shí)際大小，具體分析通信的受干擾程度；缺點(diǎn)是需要知道所有源信號(hào)的大小以及接收機(jī)的非線性系數(shù)，但這些參數(shù)通常比較難得到。

② 相對(duì)干擾強(qiáng)度計(jì)算方法。根據(jù)干擾信號(hào)和通信信號(hào)的頻率，在同等條件下分析接收機(jī)可能收到的干擾程度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要了解源信號(hào)的大小以及通信接收機(jī)非線性系數(shù)等參數(shù)，缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮通信受干擾的具體程度。

考慮到短波3G通信系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中電臺(tái)裝備比較多、通信功率可調(diào)等因素，在進(jìn)行算法設(shè)計(jì)是采用相對(duì)干擾強(qiáng)度方法進(jìn)行樣本適配度計(jì)算。

短波3G通信用頻優(yōu)化主要解決的是系統(tǒng)內(nèi)部用頻沖突以及干擾問(wèn)題，重點(diǎn)考慮頻率之間的臨道干擾以及互調(diào)干擾，互調(diào)主要考慮2個(gè)頻率之間的f1±f2、2f1±f2、2f2±f1互調(diào)[14-16]。分析過(guò)程中樣本適配度用頻率組相對(duì)干擾和表示，適配度越小表示頻率之間的相互干擾越小。

2.2.3 遺傳算法過(guò)程

短波3G頻率優(yōu)化遺傳算法過(guò)程如圖2所示。

圖2 短波3G通信頻率優(yōu)化遺傳算法流程

每一次通過(guò)遺傳算法尋優(yōu)后，由最優(yōu)樣本得到一組或多組頻率送入頻率池，通過(guò)n次遺傳運(yùn)算得到n組、每組m個(gè)頻率值，如圖2所示，圖中Fnm表示不同駐留組(m)在表示不同時(shí)刻(n)時(shí)的頻率值。

設(shè)計(jì)一組短波3G通信系統(tǒng)工作參數(shù)：工作頻段3.75～4.975 MHz，信道帶寬3 kHz，駐留組數(shù)18。采用上述方法進(jìn)行頻率優(yōu)化訓(xùn)練，訓(xùn)練最大步數(shù)1 000、訓(xùn)練目標(biāo)10-8，訓(xùn)練過(guò)程如圖3所示。

圖3 短波3G遺傳算法訓(xùn)練過(guò)程

為了能夠全面地了解算法性能以及訓(xùn)練過(guò)程，設(shè)計(jì)中設(shè)置了比較苛刻的頻帶限制、較高的訓(xùn)練目標(biāo)值，并且沒(méi)有對(duì)各駐留組進(jìn)行工作頻段劃分，表1給出了其中4組訓(xùn)練結(jié)果情況。

表1 短波頻率優(yōu)化結(jié)果

駐留組第1組/MHz第2組/MHz第3組/MHz第4組/MHz014.9714.864.8184.497024.8574.9594.8994.752034.2484.7494.3924.791044.7314.3744.7584.875054.2814.4524.6474.623064.984.8724.5694.428074.774.6864.0624.371084.414.7164.4914.254094.2964.3234.4014.401104.2724.7284.8514.83114.7884.8814.6353.969124.4584.2094.4674.776134.3174.8064.3594.56144.0623.994.1464.119154.0293.9274.4344.812164.7554.1283.9034.266174.6744.23.8584.281184.3354.1913.7984.029

結(jié)果沒(méi)有相互碰撞、相互之間具有一定的信道隔離度、互調(diào)干擾最優(yōu)，能夠滿足短波3G通信網(wǎng)用頻需要。

由訓(xùn)練過(guò)程可知：

① 該遺傳算法設(shè)計(jì)能夠達(dá)到頻率尋優(yōu)的目的；② 適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)合理，算法能夠?qū)崿F(xiàn)快速尋優(yōu)。

2.2.4 樣本適配度函數(shù)設(shè)計(jì)

利用遺傳算法進(jìn)行短波3G選頻優(yōu)化處理的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一種合理的樣本適配度計(jì)算方法，文中采用一種歸一化的相對(duì)影響指數(shù)方法進(jìn)行干擾分析。

影響指數(shù)采用脈沖函數(shù)進(jìn)行表示：

(2)

式中，參數(shù)a采用影響因數(shù)相對(duì)歸一化設(shè)計(jì)，參數(shù)K確定了函數(shù)的相應(yīng)范圍。

短波3G通信系統(tǒng)采用呼叫信道業(yè)務(wù)信道分離的設(shè)計(jì)原則，即呼叫信道附近的k個(gè)信道作為業(yè)務(wù)信道，通信過(guò)程默認(rèn)呼叫信道質(zhì)量同其附近的業(yè)務(wù)信道質(zhì)量相似，因而在設(shè)計(jì)遺傳算法影響指數(shù)時(shí)，對(duì)函數(shù)進(jìn)行如下擴(kuò)展，使函數(shù)包含其附近k個(gè)信道的影響分析。

(3)

該擴(kuò)展指數(shù)函數(shù)主要用來(lái)分析頻率的臨道干擾情況，對(duì)于互調(diào)干擾影響，則通過(guò)調(diào)整參數(shù)K得到新的函數(shù)形式，進(jìn)行不同干擾分析的函數(shù)圖形如圖4所示。

圖4 不同類別干擾分析的影響指數(shù)函數(shù)圖

在臨道影響指數(shù)函數(shù)中，為每一個(gè)呼叫信道設(shè)置4個(gè)(左右各2個(gè))業(yè)務(wù)信道、1個(gè)隔離信道；在互調(diào)影響指數(shù)函數(shù)中，綜合考慮信道分離、信道隔離等情況，設(shè)計(jì)了8～10具有一定滾將特性的干擾信道。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于遺傳算法的短波3G用頻優(yōu)化方法，可以最大限度地減少短波3G通信系統(tǒng)之間的頻率碰撞、自擾互擾等現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)提升短波3G通信系統(tǒng)頻率管理效率有很大的使用價(jià)值。該方法只是分析了系統(tǒng)頻率之間發(fā)生碰撞、干擾的可能性，而對(duì)具體干擾強(qiáng)度的大小沒(méi)有進(jìn)行定量分析，在使用過(guò)程中如果需要可以結(jié)合具體信號(hào)強(qiáng)度、裝備實(shí)際情況進(jìn)行。

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ResearchonGeneticAlgorithmforHF3GCommunicationFrequencyOptimization

YU Peng,YANG Yun-sheng

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,Jiyuan He’nan 459000,China)

The third generation HF communication system based on US military standard MIL-STD-188-141B further improves the work efficiency.At present,it has been widely used in the world.However,the unique link establishment protocol also requires a reasonable frequency management for the system.A frequency optimization method for HF 3G communications based on genetic algorithm is designed,through analyzing the characteristics of short wave 3G protocol and frequency.Based on this algorithm,the frequency optimization design of short wave communication system with certain resident groups is carried out.The convergence of simulation process further verifies the feasibility of the method.

HF 3G;genetic algorithm;frequency management;intermodulation interference

TN911

A

1003-3114(2017)06-41-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.10

于鵬,楊云升.短波3G通信頻率優(yōu)化遺傳算法研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6):41-44.

[YU Peng,YANG Yunsheng.Research on Genetic Algorithm for HF 3G Communication Frequency Optimization[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):41-44.]

2017-07-25

于 鵬(1977―)，男，高級(jí)工程師,碩士，主要研究方向：通信對(duì)抗。楊云升(1973―)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：通信對(duì)抗。